(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルス源と、
前記パルスを受け取りかつ複数の拡張された光パルスを生成するための、前記パルス源に接続されたパルスストレッチャと、
前記拡張された光パルスを前記パルスストレッチャから受け取りかつ複数の増幅されたパルスを生成するための、前記パルスストレッチャに接続されたファイバ増幅器であって、前記増幅されたパルスに対称位相を生成する制御可能な量の対称非線形位相シフトを導入するように調整可能な利得を有する、ファイバ増幅器と、
前記増幅されたパルスを前記ファイバ増幅器から受け取りかつ複数の圧縮された増幅出力パルスを生成するための、前記ファイバ増幅器に接続されたパルス圧縮器と、
を備えるファイバ増幅器システムであって、
前記パルスストレッチャおよび前記パルス圧縮器が、互いに不整合でありそれによってシステムに非対称位相を生成するある量の３次分散を導入する分散特性を有するように選択され、前記ファイバ増幅器の利得が、３次分散の前記量を補償するπ以上の量の対称非線形位相シフトを前記増幅されたパルスに導入するように選択されている、ファイバ増幅器システム。
【請求項２】
前記ストレッチャが、光ファイバの一部分である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記圧縮器が、分散性遅延線である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記分散性遅延線が、回折格子対を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ファイバ増幅器によって導入された前記非線形位相シフト量が、前記出力パルスの幅を最小にし、それによって前記パルスのピークパワー値を最大にするように選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムが、非線形位相シフトΦＮＬの大きさが、ＧＶＤをシステムの正味の群速度分散とし、Ｔをパルスの間隔とする式｜ＴＯＤ｜＝｜Ｔ・ＧＶＤ−０．１４ΦＮＬ・Ｔ３｜によって３次分散（ＴＯＤ）に近似的に関係付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ファイバ増幅器が、利得を生成するようにドープされたファイバの第１の部分と、前記システムにある量の非線形位相シフトを与える単一モードファイバの第２の部分とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
短パルスファイバ増幅器内で非線形位相シフトを補償する方法であって、
光パルス源と、前記パルス源に接続されたパルスストレッチャと、パルスストレッチャに接続されたパルスファイバ増幅器と、前記パルスファイバ増幅器に接続されたパルス圧縮器とを含むパルスファイバ増幅器システムを設けること、
互いに不整合でありそれによって前記システムに非対称位相を生成するある量の３次分散を導入する分散特性を有するように、前記パルスストレッチャおよび前記パルス圧縮器を選択すること、および
対称位相を生成し且つ前記３次分散を補償するのに十分であるπ以上の大きさを有する選択された量の対称非線形位相シフトを前記システムに導入するように、前記パルスファイバ増幅器の利得を調整することを備える、方法。
【請求項９】
前記ストレッチャが、光ファイバの一部分であるように選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記圧縮器が、分散性遅延線であるように選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記分散性遅延線が、回折格子対であるように選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ファイバ増幅器によって導入される前記非線形位相シフト量が、前記出力パルスの幅を最小にし、それによって前記パルスのピークパワー値を最大にするように調整される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記位相シフトが、前記増幅器に印加されるポンプ電力量を調整することによって調整される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記システムが、非線形位相シフトΦＮＬの大きさが、ＧＶＤをシステムの正味の群速度分散とし、Ｔをパルスの間隔とする式｜ＴＯＤ｜＝｜Ｔ・ＧＶＤ−０．１４ΦＮＬ・Ｔ３｜によって３次分散（ＴＯＤ）に近似的に関係付けられるように設計される、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記ファイバ増幅器が、利得を生成するようにドープされたファイバの第１の部分と、前記システムにある量の非線形位相シフトを導入する単一モードファイバの第２の部分とを含むように選択される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）のもとで、２００５年４月１４日に出願した米国仮出願第６０／６７１，０７８号明細書の優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、国立科学財団（契約番号ＥＳＣ−０２１７９５８）およびＤＡＲＰＡ（契約番号なし）からの政府支援でなされたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、一般には短パルスファイバ増幅器に関し、より詳細には、不整合な分散特性を有するパルスストレッチャ（ｐｕｓｌｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）およびパルス圧縮器を使用するファイバ増幅器に関する。増幅器の動作パラメータは、増幅器内に蓄積された非線形位相シフトが、ストレッチャと圧縮器の不整合な分散によって、またその逆の不整合な分散によって生じる３次分散を補償するように選択される。
【背景技術】
【０００４】
非線形位相シフト（ΦＮＬ）が短光パルスの分散を引き起こし得ることは、よく知られている。チャープパルス増幅（ＣＰＡ）では、利得媒質中で生じ得る有害な非線形効果を低減するために、パルスが拡張される。増幅後、パルスは、理想的には初期パルスの幅にデチャープされる（ｄｅｃｈｉｒｐｅｄ）。拡張は一般に、ファイバの一部分においてパルスを分散的に拡張することによって、あるいは回折格子対を用いて達成される。マイクロジュール以上のパルスエネルギーでは、特に限定的である、異常な群速度分散（ＧＶＤ）の存在下での非線形効果を回避するために、回折格子を用いてデチャーピング（ｄｅｃｈｉｒｐｉｎｇ）が行われる。回折格子ストレッチャ（ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）の分散の大きさは、すべての次数に対して、パルスをデチャープするために使用される回折格子の分散の大きさと全く同じにすることができる。したがって、低いエネルギーでは、拡張および圧縮のプロセスは完璧なものとなり得る。より高いエネルギーでは、いくらかの非線形位相が蓄積され、これは、増幅パルスの時間的忠実度を低下させる。多くの用途では、ΦＮＬ（Ｂ積分とも呼ばれる）は、増幅パルスの容認できない構造を回避するために、１未満にしなければならない。
【０００５】
ファイバストレッチャ（ｆｉｂｅｒ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）の全分散は回折格子対のそれとは異なり、この不整合は、非補償性の３次分散（ＴＯＤ）を引き起こし、それによって、パルスを少なくとも線形伝搬で変形させかつ拡張させる。ファイバが正常なＧＶＤを有する波長（１μｍなど）では、ファイバのＴＯＤは、回折格子対のＴＯＤを増大させる。マイクロジュールおよびミリジュールエネルギーのパルスを発生させるように設計されたＣＰＡシステムに何千という延伸比が使用され、その場合、ＴＯＤの効果は、デチャープパルス幅をピコ秒台に制限するはずである。したがって、ファイバストレッチャがＣＰＡシステムにおいて受容できないことが、「一般通念」になってきており、結果として、回折格子ストレッチャがこれらの装置に普及してきている。
【０００６】
立方相を補償する難しさは別として、ファイバは、ＣＰＡシステムにおけるパルスストレッチャとして重要な利点を提供する。光をファイバの中で結合させるのは、回折格子ストレッチャを整列させるのに比べれば取るに足らない。回折格子ストレッチャは、ずれる可能性のある結像系を含み、ずれたときに、空間的、時間的収差を引き起こし、拡張状態にする。ファイバストレッチャは、ずれる可能性はない。ファイバはまた、ストレッチャに入るビームの波長またはポインティングのドリフトまたは変動に対して感応性が低い。ビームポインティングの変動は、ファイバ内での結合を最適水準を下回るまでに低減することができ、一方、それらは、回折格子対で分散の変化になる。最後に、ビームの空間的特性は、回折格子対を用いた拡張に影響を及ぼす可能性があり、ファイバ内で拡張されたパルスは、空間的チャープを有することができず、ビームのすべてのポイントで同じ拡張をし、完璧な横モードでファイバから出る。ファイバ増幅器の場合、当然ながらファイバストレッチャを用いる強い理由があり、回折格子ストレッチャは、ファイバの利点を実質的に損ねる。
【０００７】
この問題に対する１つの可能な解決法が、デチャーピングのためにファイバストレッチャとグリズム対とを組み合わせることである。しかし、グリズムは、困難な合成を必要とするが、今日まで重要な利用法を見出していない。最近では、ＣＰＡシステム用の、チャープＦＢＧを含むファイバブラッググレーティング（ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ）（ＦＢＧ）の開発に、重要な関心が注がれている。より高次の分散を補償するように設計されたチャープファイバグレーティングは、概念的には、すべての次数に対して圧縮器に整合する回折格子ストレッチャと同じものであるが、上述のファイバの実用上の利点を提供する。しかし、最高パルスエネルギーを生成するファイバＣＰＡシステムが、今日まで普通の回折格子を使用しており、チャープファイバグレーティングでないことは、経験的事実である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記を考えると、回折格子圧縮器を備えるファイバストレッチャを使用することができるが、そのような構成に付随する立方相（ｃｕｂｉｃ  ｐｈａｓｅ）や３次分散の問題を克服するＣＰＡシステムが、依然として必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、３次分散が実際にはファイバ増幅器おいて非線形位相シフトによって補償され得るという予想外の発見によって、前述の問題に対処するものである。その結果、本発明は、互いに不整合でありそれによって動作中に３次分散（ＴＯＤ）の導入をもたらす分散特性を有する、パルスストレッチャおよびパルス圧縮器を使用するＣＰＡシステムを含む。ＴＯＤは通常は増幅器の動作に非常に有害であるので、増幅器は有効に機能することができないが、本発明者らは、ＴＯＤが、増幅器または分散性ファイバによってシステムに導入された非線形パルスシフトによって補償され得ることを発見した。非線形位相シフトとＴＯＤの比は、圧縮器の出力パルス幅を低減するように、好ましくは最小にするように選択され、それによって、パルスのピークパワーを増大させ、好ましくは最大にする。
【００１０】
好ましい実施形態では、ストレッチャは、単一モード光ファイバの一部分からなる。増幅器もまた、少なくとも一部分がイッテルビウムやエルビウムなどの利得を与える元素でドープされたファイバであることが好ましい。ファイバ増幅器は、パルスが通過するときにそのパルスにπ以上の非線形位相シフトを与えることが好ましく、そのことは、最大の実行可能な位相シフトが１程度であると考えられていた先のファイバ増幅器とは際立って対照的である。圧縮器は、不整合なストレッチャとともに動作中に所定の大きさのＴＯＤを生成するように選択された分散性遅延線であることが好ましく、回折格子対とともに最も一般的に実施される。動作中、３つの段の設計では、増幅器内にパルスによって蓄積された非線形位相シフトが、ファイバストレッチャと回折格子圧縮器の分散の不整合を補償するようにする。ストレッチャおよび圧縮器の所与のパラメータでは、非線形位相シフトの最適値が識別されることができ、その値で出力パルスは、最短幅、最もきれいな形状および最高ピークパワーを有する。結果は、前の報告とは対照的に非線形性で最適に機能し実際に改善することができる、ファイバストレッチャおよび回折格子圧縮器を備えるファイバ増幅器である。実際には、既述の増幅器は、ストレッチャとして回折格子を用いる類似の装置よりも良好に機能することができ、短パルス生成の分野での現在の考えと矛盾する結論である。こうした挙動は、パルス忠実度が非線形位相シフトとともに単調に低下する、回折格子ストレッチャおよび圧縮器を備えるＣＰＡシステムのものとは対照的である。
【００１１】
本発明の様々な特徴について、簡単に説明する添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、本発明の好ましい実施形態に従って構成された、フェムト秒幅の光パルス用のチャープパルス増幅器システム１０が示されている。ＣＰＡシステム１０は、３つの段、すなわちパルスストレッチャ１２、増幅器１４および圧縮器１６からなる。ストレッチャ１２は、単一モード光ファイバの一部分からなることが好ましい。増幅器１４もまた、少なくとも第１の部分１８が、イッテルビウムやエルビウムなどの利得を与える元素でドープされたファイバで実施されることが好ましい。非ドープの単一モードファイバの第２のオプション部分２０が含まれることが好ましく、この部分は、間もなく論じる理由で、システム１０に選択可能な非線形位相シフト量を付加するために使用され得る。圧縮器１６は、回折格子対で最も一般的に実施される分散性遅延線であることが好ましい。他のタイプの元素が、回折格子ストレッチャ、ファイバブラッググレーティング、光バンドギャップファイバなどのパルスストレッチャ１２および圧縮器１６に使用され得ることが理解されるべきであるが、パルスストレッチャ１２およびパルス圧縮器１６は、ＴＯＤの生成を確実にするために互いに不整合のＧＶＤを有することが、本発明の要件である。
【００１３】
Ｙｂファイバ発振器２２は、増幅されるべきパルス源を提供するが、他のタイプのパルス源も使用され得ることが理解されるべきである。最後に、レーザダイオード２４は、ファイバ増幅器１４のポンプ源として働く。発振器２２はパルスストレッチャ１２に接続され、パルスストレッチャ１２は増幅器１４に接続され、増幅器１４はパルス圧縮器１６に接続される。動作の間、発振器２２は、パルスストレッチャ１２に供給される一連のパルスを生成する。パルスストレッチャは、次いで増幅器１４に供給される複数の広がったパルスを生成する。次いで、増幅器１４によって複数の増幅されたパルスが生成され、圧縮器１６に供給される。最後に、圧縮器１６は、複数の圧縮されたパルスをシステム１０からの出力として生成する。
【００１４】
本発明の重要な特徴は、３つの段が、増幅器１４内にパルスによって蓄積された非線形位相シフトがファイバストレッチャ１２と回折格子圧縮器１６の分散の不整合を補償するように設計されることである。ストレッチャ１２および圧縮器１６の所与のパラメータでは、非線形位相シフトの最適値が識別され得、その値で出力パルスは、最短幅、最もきれいな形状および最高ピークパワーを有する。位相シフトを不整合な成分によって生成されたＴＯＤに関係付けるための厳密式は存在しないが、下記式が関係を近似するために使用され得る。所与の正味のＧＶＤ、ＴＯＤおよびパルス幅Ｔでは、非線形位相シフトΦＮＬの最適値は、近似式の
｜ＴＯＤ｜＝｜Ｔ・ＧＶＤ−０．１４ΦＮＬ・Ｔ３｜
から決定される。あるいは、所与の非線形位相シフトでは、ＴＯＤの最適値が決定され得る。ＴＯＤと非線形位相シフトとの関係の本質は、本発明では、従来のファイバ増幅器よりもずっと高い非線形位相シフトが許容されるだけでなく望ましくもあることを意味する。従来の増幅器が大きさ１の最大非線形位相シフトを許容し得る場合、本発明での最小の所望の位相シフトはπ（≒３．１４）程度であり、後で論じる実験では、１５π以上の位相シフトを有する良好な結果を示した。
【００１５】
非線形位相シフトとＴＯＤが互いに補償し合うべきであることは、おそらく注目に値する。結局のところ、ＴＯＤが単独作用すると非対称位相を生成し、自己位相変調だけが対称位相を生成する。補償の定性的な原理的説明は、ファイバストレッチャ、続いてごくわずかな分散を有する非線形部分、そして回折格子圧縮器内でのパルス伝搬を考慮することによってなし得る。拡張後、パルスは、ＴＯＤのためにわずかに非対称の強度プロファイルになる。しかし、ＧＶＤは拡張を支配するため、パルスの平均時間は、ゼロに近いままである。すなわち、パルスエネルギーは、時間内にシフトしない。これは、ｄ３Φ／ｄω３＞０の場合に、パルスのピークがわずかに前の（負の）時刻に移動し、ＴＯＤに関連する非対称テールが後の時刻に延びることを示唆している。次に、拡張パルスによって蓄積された非線形位相シフトもまた、わずかに負の時刻でピークになり、時間的位相は、パルスの中心に負の傾斜を有する。圧縮器では、ＧＶＤからの大きな二次位相は差し引かれ、正のＴＯＤは、負の位相の傾きに対応する。時間が高チャープパルス（ｈｉｇｈｌｙ−ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅｓ）で周波数に近似的にマップされるので、類似の議論が、周波数領域内でなし得る。この直観的な説明は、以下に提示される数値結果による。
【００１６】
ファイバストレッチャ、ファイバ増幅器および回折格子圧縮器（図１の実施形態のキー要素）を備えるＣＰＡを研究するために、数値シミュレーションが用いられた。シミュレーションのパラメータは、理論と実験との比較が可能となるように、以下に説明される実験のパラメータと見なされた。すべてのファイバは、単一モードファイバ（ＳＭＦ）である。このシステムへの入力パルスは、Ｙｂファイバ発振器２２の出力を表し、１０６０ｎｍで１０．４ｎｍの帯域幅を有する１５０ｆｓのガウスパルスとした。ストレッチャ１２は１００ｍのＳＭＦからなり、４００ｍのストレッチャに対する同様の結果を以下に要約する。増幅器１４は、１ｍのＹｂドープ利得ファイバと、それに続く３ｍのＳＭＦとからなり、そこで非線形位相シフトの大部分が蓄積される。非線形位相シフトの大きさは、増幅器の利得を変化させることによって調整される。圧縮器１６は、ダブルパス構成で使用される１２００本／ｍｍを有する回折格子対である。ファイバと回折格子対のＧＶＤおよびＴＯＤは、シミュレーションに含められる。シミュレーションに使用されたパラメータは、非線形係数γ＝４．３ｋＷ−１ｍ−１、ＧＶＤ係数β２＝２３０ｆｓ２／ｃｍ、およびＴＯＤ係数β３＝２５４ｆｓ３／ｃｍである。回折格子対圧縮器では、β２＝−１．２×１０５ｆｓ２／ｃｍおよびβ３＝４．５×１０５ｆｓ３／ｃｍである。各部分における伝搬を支配する非線形シュレディンガー方程式は、標準的なスプリットステップ法で解かれた。
【００１７】
１００ｍのストレッチャファイバを伝搬後、パルス幅は、４６ｐｓであることが分かった。圧縮器の回折格子間隔は、各パルスエネルギーで最短出力パルスを生成するように最適化され、予想どおり、回折格子間隔は、ΦＮＬの増大とともに減少する。ここで報告するすべての数値結果および実験結果は、最適回折格子間隔に基づいている。
【００１８】
線形伝搬に近似させるとき、増幅利得は、低エネルギー（４ｎｊ）パルスを生成するように調整された。結果は、ΦＮＬ＝０．４πであった。図２Ａに示されている圧縮後のパルス形状は、特徴となる非対称な広がりおよびＴＯＤからの二次構造を示している。半値全幅（ＦＷＨＭ）パルス幅は２９０ｆｓに増大し、ピークパワーは９．５ｋＷである。出力パルスの干渉法による自己相関の包絡線が、図２Ｂに示されている。自己相関は、下記の実験結果と比較されるため提供される。
【００１９】
非線形位相シフトを増大させて、出力パルスの品質を高める。最良の結果が、ΦＮＬ≒１．９πを生成する１９ｎＪの増幅パルスエネルギーで得られる。この非線形位相シフトで、圧縮パルス幅は、図２Ｃに示されているように１９１ｆｓに縮小され、このパルス幅は、元のパルス幅の約２５％以内である。同様にパルスのトレーリング「ウィング」の抑制も顕著である。得られるピークパワーは７４ｋＷであり、パルスエネルギーは図２Ａよりも５倍大きいが、ピークパワーは、改善されたパルス品質のおかげで８倍大きい。対応する自己相関は、図２Ｄに示されている。パワースペクトルは、最高エネルギーで５％未満だけ広がっている。スペクトルの広がりは、非線形位相シフトを延伸比で割った値にほぼ比例し、したがって、ΦＮＬ〜２πおよび延伸比３００では、わずかな広がりが予想される。より大きい非線形位相シフトでは、パルスの品質は低下する。したがって、所与量の立方相では、ΦＮＬの最適値がある。逆にされたファイバと回折格子対のＴＯＤの兆候を用いたシミュレーションでは同じ結果になり、正の（自己収束）非線形性が、ＴＯＤのどちらかの兆候の効果を補償することができる。
【００２０】
比較のために、回折格子ストレッチャおよび圧縮器を用いて同じΦＮＬ値（すなわち同じパルスエネルギー）で得られ得る最良の結果が、図２Ｅおよび図２Ｆに示されている。圧縮されたパルス（図２Ｅ）は、ＦＷＨＭ幅２１４ｆｓおよびピークパワー６７ｋＷを有する。したがって、この低い延伸比およびパルスエネルギーでは、ファイバストレッチャは、回折格子ストレッチャに勝る約１０％の向上を提供する。しかし、ファイバストレッチャの有利性は、延伸比および非線形位相シフトの増大とともに増大することを強調しておく。
【００２１】
非線形位相シフトを変化させた場合の一連の類似の計算結果は、図３Ａに要約される。相対ピークパワーは、出力パルスのピークパワーと、ＴＯＤおよび非線形位相シフトがない場合に得られるはずの理想ピークパワーとの比と定義される。すなわち、理想ピークパワーは、入力パルス強度プロファイルを有する出力パルスエネルギーのパワーである。回折格子ストレッチャを用いると、相対ピークパワーは、ΦＮＬとともに単調に減少する。この傾向は、よく知られており、ΦＮＬが通常はＣＰＡシステム内で１に制限されるためである。ファイバストレッチャでの相対ピークパワーは、ΦＮＬが約２πになるまで増大し、その後減少する。ΦＮＬ＞１．５πでは、ファイバストレッチャは、わずかな差ではあるが、回折格子ストレッチャよりも良好に機能する。図３Ａ内の挿入図は、ΦＮＬに対するＦＷＨＭパルス幅の変化を示す。
【００２２】
４００ｍのストレッチャに対する同様の結果が、図３Ｂに示されており、図３Ａとともに補償のスケーリングを示す。ΦＮＬの最適値は、ＴＯＤの大きさとともにほぼ直線的に増大する。非線形性の利益は、ＴＯＤの増大とともに増大する。すなわち、１００ｍのストレッチャでは、相対ピークパワーは線形伝搬（ΦＮＬ＝０）で得られる相対ピークパワーよりも約５０％増大し、４００ｍのストレッチャでは、相対ピークパワーはほぼ２倍に増大する。ΦＮＬの最適値での回折格子ストレッチャに勝るファイバストレッチャの有利性もまた、ＴＯＤの増大とともに増大する。一方、相対ピークパワーの最大値は、ＴＯＤの増大とともに減少する。４００ｍのストレッチャでは、５００ｎＪのパルスがΦＮＬ＝５．４πを生成する。圧縮パルス幅は、（ΦＮＬ＝０での約５００ｆｓ、またはＴＯＤ＝０での３８０ｆｓと比べると）３００ｆｓであり、６０％の圧縮器効率では、１ＭＷのピークパワーに達する。ＴＯＤが倍になった場合、すべての他のパラメータが一定に保たれている間に、パルスエネルギーは、ΦＮＬ＝１０．８πで１μＪに達する。圧縮パルス幅は依然として３００ｆｓであり、ピークパワーは約２ＭＷに達する。
【００２３】
実際の実験もまた、本発明の図１の実施形態と同様の構成を用いて行われた。実験では、Ｙｂファイバのレーザは、１０６０ｎｍで約１２ｎｍの帯域幅を有する１４０ｆｓのパルスを生成する。パルスは１００ｍのファイバ内で拡張され、増幅されかつ圧縮されたパルスは、干渉法による自己相関で特徴付けられる。図４Ａから図４Ｃは、ΦＮＬでの出力パルスの変化を示す。３ｎＪの最低パルスエネルギーは、ΦＮＬ＝０．４πを生成した。自己相関（図４Ａ）は、２４０ｆｓのパルス幅を示唆している。繰返し率が低下したときに、より低い信号対雑音比で同様の結果が得られる。３ＭＨｚで、パルスは１５ｎＪに増幅され、ΦＮＬ＝１．８πである。パルス幅（図４Ｂ）は１８０ｆｓに減少し、ＴＯＤから生じる二次構造は縮小する。パルスエネルギーが１７ｎＪ（ΦＮＬ＝２．１π）に増大したとき、図４Ｃにも示されているように、パルス幅はやはり１９５ｆｓに増大し、二次構造は増大し始める。実験の傾向は、数値シミュレーションと定性的、半定量的に一致し、予想されるΦＮＬの最適値に近いパルス幅で明らかな最小を示す。予想どおり、パワースペクトルは、最高パルスエネルギーでわずかに広がる。
【００２４】
４００ｍのストレッチャで得られた初期結果（図５Ａおよび図５Ｂ）は、より高いエネルギーに拡大することを示す。パルスは、１２００倍に拡張され、１８０ｐｓになる。線形伝搬では、デチャープパルスは、４５０ｆｓの幅に拡張される。ほぼマイクロジュールレベルへの増幅では、パルスに１０π〜１５πの非線形位相シフトを印加し、約１５０ｆｓのデチャープパルスになる。これらの実験は、ＳＰＭによるＴＯＤの予想補償と明らかに一致する。
【００２５】
マイクロジュールさらにはミリジュールエネルギーのパルス用のファイバ増幅器の構造に大きな関心があるが、非線形性が、そのような装置の設計において大きな課題となる。本発明では、非線形性が望ましい。増幅器は、非線形性を完全に回避しようとするのではなく、特定の非線形位相シフトで動作するように設計され得る。ストレッチャおよび圧縮器は、特定のＴＯＤを最小限に抑えようとするのではなく、特定のＴＯＤで動作するように設計され得る。初期計算によれば、ＳＭＦだけを使用する増幅器から約３００ｆｓの幅のマイクロジュールエネルギーのパルスを得ることができ、マルチモードファイバまたはラージモードエリアのフォトニック結晶ファイバでミリジュールレベルのパルスを得ることができる。より短いパルスに縮小することも可能である。ファイバストレッチャの圧倒的な実益により、得られる性能が、回折格子ストレッチャで得られる性能と同等であるかあるいはわずかに劣る場合に、それらの使用を推奨することになる。性能向上の可能性があり、ファイバストレッチャは、短パルスファイバ増幅器の標準になるはずである。ＴＯＤによる非線形性の補償は、様々な方法で実施され得る。ファイバブラッググレーティングは、コンパクト性と分散制御との魅力的な組合せを提供し、より高次の分散を補償するための、回折格子周期のカスタマイズされたチャーピングを実証する取り組みが存在する。ＦＧＢの欠点としては、帯域幅と分散との間に固有のトレードオフがある、高価な（しばしばカスタムの）製作を必要とする、所与の設計に対する分散の調整機能が限定される、などがある。これらの特性は、ＳＭＦの簡素さおよび入手可能性とは対照的である。もちろん、本明細書で説明したＴＯＤによる非線形性の補償は、ＦＢＧで実施され得るものであり、ＦＢＧは、所望のパルスエネルギーに応じて特定量のＴＯＤを与えるように設計されることになる。光バンドギャップファイバでパルスをデチャープするために、類似の議論がなし得る。
【００２６】
要約すると、本発明は、非線形性とＴＯＤがＣＰＡシステム内で互いにかなり補償し合えることを実証する。所与の大きさのＴＯＤの場合、出力パルス幅が最小化される非線形位相シフトの最適値が存在する。出力パルスは、非線形性がない場合よりも著しく短くかつきれいにすることができ、それに対応してピークパワーは増大する。この手法のより高いパルスエネルギーへの拡張は、容易であると思われる。この手法の有益性は、非線形位相シフトすなわちパルスエネルギーとともに大幅に増大する。非線形位相シフトによる３次を超える分散の補償も予想され得る。最後に、本明細書に記載されている概念は、ファイバブラッググレーティングや光バンドギャップファイバなどの他の装置と組合され得る。
【００２７】
本発明を、好ましい実施形態とその変形形態に関して開示してきたが、特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に多くの他の変形および変更が加えられ得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従って構成されたＣＰＡシステムの概略図である。
【図２Ａ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた強度プロファイルのグラフである。ΦＮＬ＝０．４πを有するファイバストレッチャに対する結果を示す。
【図２Ｂ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた自己相関包絡線のグラフである。ΦＮＬ＝０．４πを有するファイバストレッチャに対する結果を示す。
【図２Ｃ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた強度プロファイルのグラフである。ΦＮＬ＝１．９πを有するファイバストレッチャに対する結果を示す。
【図２Ｄ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた自己相関包絡線のグラフである。ΦＮＬ＝１．９πを有するファイバストレッチャに対する結果を示す。
【図２Ｅ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた強度プロファイルのグラフである。比較目的のためのものであり、ΦＮＬ＝１．９πを有する回折格子ストレッチャに対する結果を示す。
【図２Ｆ】３つの異なるストレッチャと位相シフトとの組合せに対する数値シミュレーションから得られた自己相関包絡線のグラフである。比較目的のためのものであり、ΦＮＬ＝１．９πを有する回折格子ストレッチャに対する結果を示す。
【図３Ａ】回折格子ストレッチャ（四角のシンボル）およびファイバストレッチャ（丸のシンボル）を備えるＣＰＡの、ΦＮＬを有する相対ピークパワーの変化を示す。パルスは、それぞれの場合に約４６ｐｓに拡張される。挿入図は、ΦＮＬを有するパルス幅の変化を示す。
【図３Ｂ】約１４０ｐｓに拡張する４００ｍのストレッチャを備える以外は図３Ａと同じ図を示す。線は、視線を導くためだけのものである。
【図４Ａ】ΦＮＬ＝０．４πを有する１００ｍのファイバストレッチャを用いて行われた実験に対する増幅およびデチャープされたパルスの自己相関を示す。対応するパルス幅は、各グラフに示されている。
【図４Ｂ】ΦＮＬ＝１．８πを有する１００ｍのファイバストレッチャを用いて行われた実験に対する増幅およびデチャープされたパルスの自己相関を示す。対応するパルス幅は、各グラフに示されている。
【図４Ｃ】ΦＮＬ＝２．１πを有する１００ｍのファイバストレッチャを用いて行われた実験に対する増幅およびデチャープされたパルスの自己相関を示す図である。対応するパルス幅は、各グラフに示されている。
【図５Ａ】０．８ｍＪのパルスエネルギーで生じる、ΦＮＬ＝０．２πを有する４００ｍのファイバストレッチャを用いて行われた実験に対する増幅およびデチャープされたパルスの自己相関を示す。対応するパルス幅は、各パネルに示されている。
【図５Ｂ】０．８ｍＪのパルスエネルギーで生じる、ΦＮＬ＝１５πを有する４００ｍのファイバストレッチャを用いて行われた実験に対する増幅およびデチャープされたパルスの自己相関を示す。対応するパルス幅は、各パネルに示されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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